你的位置:首頁 > RF/微波 > 正文

4通道QFN封裝射頻GaAs 多功能MMIC

發(fā)布時間:2022-02-28 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】用于為Ku波段衛(wèi)星移動通信有源相控陣天線被用于接收和發(fā)射MMIC多功能芯片使用開發(fā)0.25 微米的p HEMT的商業(yè)方法。多功能芯片由4通道分合路組成,每個通道提供多種功能,例如6位數(shù)字相移功能,5位數(shù)字衰減功能和信號放大功能。將MMIC多功能芯片組裝在尺寸為7 mm×7 mm的商用QFN封裝中后,對其進行測量,該芯片的尺寸為27 mm^2(5.2 mm×5.2 mm)。


測量結(jié)果表明,多功能接收芯片在10.7至12.75 GHz頻率下的增益為28 dB,噪聲系數(shù)為1.6 dB。在相位控制中,在衰減控制中顯示了3°的RMS相位誤差和0.3 dB的RMS衰減誤差。對于多功能發(fā)射芯片,在1.27 W直流功耗下,在13.75至14.5GHz處的增益為15 dB,輸出功率為16.4 dBm。在相位控制中,在衰減控制中顯示了2.5°的RMS相位誤差和0.2 dB的RMS衰減誤差。


2.jpg


MMIC收發(fā)多功能芯片設(shè)計


用于衛(wèi)星終端的Ku波段多功能芯片包括:接收10.7-12.75 GHz頻帶中的多功能芯片,以及發(fā)射13.75-14.5 GHz頻帶中的多功能芯片。設(shè)計的接收芯片和發(fā)射芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。


3.png

4.jpg


接收芯片具有4通道RF路徑,并包含4:1合路器,可將這四個輸出組合為一個輸出。在每個通道中,第一級均放置一個低噪聲放大器以改善噪聲系數(shù)并放大信號,并放置一個用于相位控制的6位移相器和一個用于增益電平控制的5位衰減器。在移相器和衰減器之間設(shè)置有用于信號放大的放大器。數(shù)字串行到并行轉(zhuǎn)換器(SPC)負責(zé)將控制信號提供給移相器和衰減器。由-2.3 V偏置電壓驅(qū)動的SPC接收時鐘,數(shù)據(jù)和負載信號(它們是TTL控制信號),并控制移相器和衰減器,并以+5V偏置電壓生成這三個信號的TTL輸出。RF偏置是+2V單電源。在該設(shè)計中,偏置被確定為+1.8V,并且在考慮信號增益,噪聲系數(shù)和功耗的情況下組織了測量數(shù)據(jù)。

 

發(fā)射芯片具有與接收芯片相似的結(jié)構(gòu),包括一個4通道RF路徑和一個4:1的分路器,并且像接收芯片一樣具有移相器,衰減器和SPC。與接收芯片不同,具有出色輸出功率特性的功率放大器放置在發(fā)射芯片的末端。RF偏置是+4V單電源。在此設(shè)計中,考慮到信號增益,輸出功率和功耗,偏置被確定為+3.5V。

 

數(shù)字串并轉(zhuǎn)換器設(shè)計


下顯示了一個44位SPC的配置圖。它用于控制串行輸入的44位數(shù)據(jù)中4個通道中每個通道上的6位移相器和5位衰減器。


5.png


進入輸入端的串行數(shù)據(jù)(DI)通過時鐘(CI)信號從第一個D觸發(fā)器(DFF)移至下一個相鄰的DFF。當將根據(jù)CI信號一一移位的所有44個串行數(shù)據(jù)放置在每個DFF中時,這44個數(shù)據(jù)由負載(LI)以及移相器和衰減器。TTL型時鐘輸出(CO),數(shù)據(jù)輸出(DO)和負載輸出(LO)作為SPC輸出。當將它們作為相鄰多功能芯片的輸入連接時,可以通過一個串行控制信號來級聯(lián)控制多個多功能芯片。偏置電壓為-2.3V以驅(qū)動SPC,而+5V用于TTL輸出。 

 

放大器設(shè)計


多功能接收芯片(LNA)需要出色的噪聲系數(shù)和高增益特性,才能改善接收天線的G/T特性。為此,在接收多功能芯片的第一階段放置了一個低噪聲放大器。下圖顯示了低噪聲放大器的電路圖。所設(shè)計的低噪聲放大器是使用3級放大結(jié)構(gòu)4f75 HEMT(4-手指,75微米柵寬HEMT),一個E(增強型)模式設(shè)備具有優(yōu)良的噪聲特性。通過使用串行反饋的噪聲匹配來設(shè)計第一級的輸入匹配。


6.png


串聯(lián)反饋通過在源極端子和地之間添加一個電感器來實現(xiàn)。電感器實現(xiàn)為微帶線,并調(diào)整該值以找到放大器的最佳穩(wěn)定性和噪聲特性。應(yīng)用于每級的級間匹配不是增益匹配,即匹配50歐姆阻抗,而是直接匹配第一HEMT的輸出阻抗與第二HEMT的輸入阻抗。用于末級匹配的并聯(lián)反饋是漏極和柵極端子之間具有電感,電容器和電阻器的連接,并且調(diào)整值以找到最佳的回波損耗和增益平坦度特性。

 

發(fā)射多功能芯片(PA)需要高輸出功率特性,以改善發(fā)射天線的EIRP特性。為此,將功率放大器放置在多功能發(fā)射芯片的輸出端子上。下圖顯示了功率放大器的電路圖。設(shè)計的功率放大器具有兩級放大結(jié)構(gòu),其中E模式4f150 HEMT放置在輸出級以實現(xiàn)高輸出功率。使用并聯(lián)反饋將輸出匹配設(shè)計為增益匹配。


7.jpg


多功能芯片中包含的放大器由單個偏置驅(qū)動,該偏置由E模式HEMT和有源偏置電路實現(xiàn)。有源偏置電路由一個FET(Q2),兩個二極管(D1,D2)和兩個電阻器(R2,R3)組成,電路圖和器件值如下圖所示。除了單個電源的優(yōu)點外,這些有源偏置電路還使放大器對溫度變化和過程誤差不太敏感。


8.png


6位移相器設(shè)計


使用無源開關(guān)FET模型設(shè)計了單個移相器,例如5.6°,11.2°,22.5°,45°,90°和180°。六個移相器是使用下圖所示的三個基本結(jié)構(gòu)設(shè)計的。


9.jpg


5.6°,11.2°和22.5°移相器產(chǎn)生相對較小的相移值,并使用開關(guān)濾波器結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)以其芯片面積小和插入損耗小的優(yōu)點而聞名。

 

45°移相器使用Bridgeed-T結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)可以通過在FET處于截止狀態(tài)時使用等效電容器和電感器之間的并聯(lián)諧振來有效地確定相移值。

 

使用高通/損耗通過結(jié)構(gòu)設(shè)計了90°和180°之類的大值移相器。包括兩個SPDT開關(guān)和濾波器結(jié)構(gòu),因此可以增加芯片面積并增加插入損耗,但是由于具有降低頻率變化的相位誤差的優(yōu)點,因此具有出色的頻率特性。

 

5位衰減器設(shè)計


使用無源開關(guān)FET模型設(shè)計了各個衰減器,例如0.5 dB,1 dB,2 dB,4 dB和8 dB。使用下圖所示的兩個基本結(jié)構(gòu)設(shè)計五個衰減器。


10.png


使用僅由一個FET和一個電阻組成的開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計了衰減值相對較小的衰減器,例如0.5 dB和1 dB。

 

2 dB,4 dB和8 dB衰減器是使用switch-T結(jié)構(gòu)設(shè)計的,該結(jié)構(gòu)是在開關(guān)結(jié)構(gòu)中并聯(lián)連接電阻和FET的結(jié)構(gòu)。由于開關(guān)結(jié)構(gòu)和開關(guān)T衰減器由少量元件組成,所以芯片面積小并且插入損耗小。

 

4:1合路器設(shè)計


4:1耦合器是通過連接2:1 Wilkinson耦合器的兩個級而設(shè)計的。下圖所示4∶1耦合器的框圖和2∶1耦合器的電路。2:1耦合器采用集成元件設(shè)計,以減少芯片占用面積。組合器旨在將頻帶內(nèi)的插入損耗和回波損耗降至最低。


11.jpg


MMIC多功能芯片制造


所設(shè)計的MMIC接收多功能芯片和發(fā)射多功能芯片分別在尺寸為制造5.2×5.2mm^2使用0.25微米的GaAs的p HEMT過程商業(yè)方法。下面兩圖是組裝在48針7×7 mm 2 QFN封裝中的接收和發(fā)射芯片的顯微照片。


12.jpg

13.jpg


4通道RF輸入/輸出,RF in(1)至RF in(4)和RF out(1)至RF out(4),位于接收芯片的左側(cè)和發(fā)射芯片的右側(cè)芯片。4通道組合的RF輸出/輸入位于相對側(cè)。SPC偏置和控制輸入/輸出與RF輸出/輸入位于同一側(cè)。所有焊盤在左側(cè)/右側(cè)僅沿一個方向排列,因此整個垂直方向都可以用作接地平面。這可以使散熱的路徑變寬,從而可以促進平板天線的散熱設(shè)計。當平面天線設(shè)計為線性極化時,垂直方向上布置的50歐姆短路(Term(1)至Term(4))可用于將未使用的極化端口短路50 ohm。50歐姆短路僅是通過一個50歐姆的電阻器實現(xiàn)的,該電阻器的水平和垂直尺寸為20 um,并具有一個反向通孔。放大器偏置在芯片中包括有源偏置電路,因此可以使用單個電源,并且可以通過側(cè)面上的單個焊盤(RF偏置)來提供偏置。SPC輸入包括三個TTL輸入(數(shù)據(jù),時鐘,負載)和-2.3 V偏置。SPC輸出包括三個TTL輸出(數(shù)據(jù),時鐘,負載)和一個+ 5V偏置。如果TTL輸出連接到相鄰芯片的SPC輸入。


下圖是用于測試接收多功能芯片的測試夾具和48引腳QFN封裝的照片。發(fā)射多功能芯片的測試夾具具有相同的形狀,僅輸入和輸出變更。測試夾具的RF輸入/輸出使用連接器完成,而8針連接器用于控制信號和DC偏置電源。出于相同的目的,放大器偏置線使用了諸如100 pF,10 nF和1 uF的電容器來旁路不需要的AC信號,而SPC偏置線則使用了10nF電容器。當對SPC偏置施加-2.3 V時,測得的電流為66 mA,對于TTL輸出,在+5 V電壓下測得的電流為2 mA或更小。RF放大器偏置的增益,噪聲系數(shù),輸出功率和電流消耗特性會隨所施加的電壓而變化。對于接收芯片,可以通過考慮所需的增益水平和噪聲系數(shù)來確定最佳偏置。該接收芯片的最佳偏置為+1.8 V,測得的電流為330 mA。此時,包括SPC功率在內(nèi)的接收芯片功耗被計算為0.74W。對于傳輸芯片,可以考慮所需的輸出功率和增益水平來確定最佳偏置。該傳輸芯片的最佳偏置為+3.5 V,測量的電流為322 mA。


14.jpg


測試圖如下所示


15.png

16.png

17.png


結(jié)論


利用GaAs工藝開發(fā)了一種可用于Ku波段衛(wèi)星移動通信的有源相控陣天線的收發(fā)MMIC 4通道多功能芯片。為了降低平板天線的組裝成本,設(shè)計了一種芯片以應(yīng)用于商用QFN封裝。在一個48針7×7 mm^2QFN封裝中集成了一個包含6位移相器和5位衰減器的4通道多功能芯片,并驗證了輸出的傳輸多功能芯片。通過調(diào)整偏置,可以測量高達19 dBm的發(fā)射芯片的最大發(fā)射功率。預(yù)計開發(fā)的MMIC接收和發(fā)射多功能芯片將適用于以扁平有源相控陣天線的衛(wèi)星通信終端。


1643177808209650.jpg



免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請聯(lián)系小編進行處理。


推薦閱讀:


MOSFET開關(guān):電源變換器基礎(chǔ)知識及應(yīng)用

面向電源電路的MLCC解決方案

電源轉(zhuǎn)換模塊的優(yōu)勢和應(yīng)用

高效電源設(shè)計的實時數(shù)字解決方案(第二部分)

交流/直流電源介紹

特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉